叶轮叶片数对通风机性能的影响

高 伟

（潞安集团五矿，山西 阳泉 045000）

引言

煤矿通风系统被称为煤矿的“肺”，其主要任务为降低工作面瓦斯、粉尘的浓度，以保证其满足《煤炭安全规程》的相关标准要求。此外，通风机还能保证工作面温湿度参数为最佳，以保证工作环境更优。因此，保证工作面通风机的高性能、高效率运转尤为重要[1]。从理论上讲，影响通风机性能的因素众多，包括通风机叶轮的叶片数量、顶部间隙、轮毂比等。本文将着重针对叶轮叶片数量对通风机性能的影响机理进行分析研究。

1 通风机模型搭建

本文所研究通风机为煤矿工作面应用最为广泛的对旋轴流式通风机，具体型号为FBDZ80，该通风机为两级轴流式通风机，其主要结构包括叶轮、叶片、风筒等。该通风机的关键参数如表1 所示。

表1 FBDZ80 对旋轴流式通风机关键参数

为了保证后续针对不同叶轮叶片数量对通风机性能仿真结果的准确，除了在实际建模过程中须严格按照实际参数1∶1 完成SolidWorks 三维模型的搭建外，还需对关键部位进行网格划分操作。其中，根据通风机的实际运行工况，将基于SolidWorks 所搭建的三维模型的前级叶轮叶片的网格划分结果确定为226 658，后级叶轮叶片的网格划分结果确定为225 808，其他区域的网格划分结果确定为264 736。将网格划分完毕的模型导入FLUENT 软件中开展叶轮叶片数量对通风机性能影响机理的研究[2]。

从理论上讲，叶轮叶片数量将直接影响通风设备的风压、风量等参数，从而间接影响通风机的性能。本文将主要研究不同叶片数配合对通风机性能的影响。其中，前级叶轮叶片数量为8 个、12 个和14个，后级叶轮叶片的数量为8 个、10 个和14 个。结合叶片数对风量流通的直接影响，本文将对8/10、12/8、12/10、12/14、14/10 五种情况进行数值模拟研究。

2 叶轮叶片数量对通风机出口静压的影响

2.1 前级叶轮叶片数量对通风机出口静压的影响

本小节将对后级叶轮叶片数量为10 个，前级叶轮叶片数量分别为8 个、12 个和14 个三种情况下通风机出口静压随着流量的变化进行数值模拟研究。经仿真分析得出如下结论：

在同一流量下，通风机出口静压随着前级叶轮叶片数量的增加呈现先增大后减小的变化趋势。也就是说，对于初级叶轮叶片而言，存在一个临界值可使得通风机出口静压达到最大。同时，当前后叶轮叶片数量一定时，随着流量的增加通风机出口静压降低，使得设备性能下降[3]。

2.2 后级叶轮叶片数量对通风机出口静压的影响

鉴于上述研究可知，当前级叶轮叶片数量为12 个时，对应通风机的出口静压最大。因此，本小节确定前级叶轮叶片数量为12 个，对后级叶轮叶片数量分别为8 个、10 个和14 个三种情况下通风机出口静压随着流量的变化进行数值模拟研究。经仿真分析得出如下结论：

后级叶轮叶片数量对通风机出口静压值影响较小；但是，仍需对后级叶轮叶片数量进行优化，因为后级叶轮叶片数量偏大或偏小也会影响通风机的整体性能。

综合分析不同前级和后级叶轮叶片数量下通风机的出口静压值得出如下结论：

1）当前级叶轮叶片数量为8、后级叶轮叶片数量为10 时，整个通风机的出口静压值偏低；而当前级叶轮叶片数量为12、后级叶轮叶片数量为14 时，整个通风机的出口静压值未达到最大值。

2）当前级叶轮叶片数量为12、后级叶轮叶片数量为8，前级叶轮叶片数量为14、后级叶轮叶片数量为10 时，通风机的出口静压值明显增加。

3）当前级叶轮叶片数量为12、后级叶轮叶片数量为10 时，通风机的出口静压值达到最大。

因此，并不是叶轮叶片数量取极限值时通风机的出口静压值最大，而当前级叶轮叶片数量为12、后级叶轮叶片数量为10 时，出口静压值最大，对应通风机的性能最佳。

3 叶轮叶片数量对通风机出口全压的影响

本节首先分别对前级叶轮叶片数量和后级叶轮叶片数量对通风机出口全压的影响机理进行研究，然后对不同叶轮叶片配合数量对通风机出口全压的影响进行研究[4]。具体阐述如下：

3.1 前级叶轮叶片数量对通风机出口全压的影响

当后级叶轮叶片数量为10，分别对前级叶轮叶片数量为8、12 和14 时通风机的出口全压进行对比，对比结果如表2 所示。

表2 不同前级叶轮叶片数量对通风机出口全压的影响 Pa

由表2 可知，当风量小于2.3 kg/s 时，随着前级叶轮叶片数量的增加，通风机出口全压呈现先增加后减小的变化趋势；而当风量大于2.3 kg/s 时，随着前级叶轮叶片数量的增加，通风机出口全压呈现增加的变化趋势。

3.2 后级叶轮叶片数量对通风机出口全压的影响

当前级叶轮叶片数量为12 时，分别对后级叶轮叶片数量为8、10 和14 时通风机的出口全压进行对比，对比结果如表3 所示。

表3 不同后级叶轮叶片数量对通风机出口全压的影响Pa

由表3 可知，随着后级叶轮叶片数量的增加，对应通风机出口全压呈现先增大后减小的变化趋势；当后级叶轮叶片数量为10 时对应通风机出口全压最大；而当后级叶轮叶片数量为8 和14 时，对应通风机出口全压均较小，且二者相差不大。

综上，当前级叶轮叶片数量为12、后级叶轮叶片数量为10 时，对应通风机出口全压最大。因此，针对通风机出口全压最优的叶轮叶片数量配合如下：前级叶轮叶片数量为12，后级叶轮叶片数量为10。

4 叶轮叶片数量对通风机全压效率的影响

采用上述同样的方法对不同叶轮叶片数量对通风机全压效率的影响进行对比分析，并综合得出如下结论：当前后级叶轮叶片数量为12、14 时，通风机的全压效率值偏低，同时随着流量的增加通风机全压效率还会继续降低；当前后级叶轮叶片数量为8、10 时，通风机的全压效率值居中；当前后级叶轮叶片数量为12、10 时，通风机的全压效率曲线整体提高，对应的曲线平稳且流量稳定[5]。

5 结论

通风机是综采工作面的关键设备，其工作性能直接决定其能耗和通风效率，对于工作面的安全生产具有重要意义。对于通风机而言，可通过出口静压值、出口全压值及全压效率对其性能进行综合评估。本文着重对不同叶轮叶片数量对通风机性能的影响机理进行研究，并得出当前级叶轮叶片数量为12、后级叶轮叶片数量为10 时，对应通风机的性能最佳。